1、南京理工大學課程考核論文課程名稱： 圖像傳感與測量 論文題目： 激光多普勒測速技術 姓 名： 孫玉祥 學 號： 成 績： 任課教師評語： 簽名： 年 月 日 文 獻 綜 述摘要：文章闡述了激光多普勒測速技術的基本原理及特點，綜述了不同類型激光多普勒測速技術各自的優缺點，對后續的信號處理系統進行了分析說明，并對未來激光多普勒測速技術發展方向進行了探討。關鍵詞： 激光 多普勒測速儀 拍頻 信號處理0 引言激光多普勒測速技術是伴隨著激光器的誕生而產生的一種新的測量技術，它以其測速精度高、測速范圍廣、空間分辨率高、動態響應快、非接觸測量等優點在航空航天、機械、能源等領域獲得了廣泛的應用和快速發展1。在

2、一個完整的激光多普勒測速系統中，主要分為三個部分：激光發射器、光學光路系統、信號處理部分。每一部分的學習與研究，都對激光多普勒測速系統的精確度、穩定性和適應性有著重要的作用。1 激光多普勒測速原理激光的多普勒效應表明，當光源和運動物體發生相對運動時，從運動物體散射回來的光會產生多普勒頻移，這個頻移量的大小與運動物體的速度、入射光和速度方向的夾角都有關系2。激光多普勒效應的示意圖如圖1所示，其中o為光源，p為運動物體，s為觀察者的位置，激光的頻率為v，運動物體的速度為u，那么激光照射到運動物體表面所產生的多普勒頻移量可表示為：式中：為入射光方向單位向量，是散射光的單位向量，c是光速，由上式可知，

3、通過測量激光多普勒頻移量的值，便可獲得運動物體的速度信息。2 激光多普勒測速特點激光多普勒測速與傳統測速儀相比有如下特點：1. 非接觸測量：激光匯聚點就是測量探頭，測量過程對流場無干擾，故可以很方便地在惡劣環境中進行測量，如火焰、腐蝕性流體流速的測量。2. 空間分辨率高：測點可小于10-4mm3，隨著所用激光波長的減小，光路和聚焦元件性能的改進，還可以進一步縮小。3. 動態響應快：速度信號以光速傳播，慣性極小，只要配以適當的信號處理器，可進行實時測量。4. 精度高：激光多普勒效應的物理原理公式是一個準確的表達式，產生的多普勒頻移量的大小基本與流體的溫度、壓力、密度等參數無關，只需通過光路計算和

4、保證制造精確，系統測量精度很高。5. 量程大：頻差與速度為簡單的線性關系，不論低速或告訴都無需校正，因此允許有很大的頻移，目前已能測0.1mm/s2000m/s的速度，這是普通測速儀不能比擬的。6. 靈敏性好：因為光束器旋轉時測點不變，可方便地測量任意方向的速度分量。然而，激光多普勒測速儀本質上是利用檢測流體中和流體以同一速度運動的粒子的散射光來測定流體速度的儀器，因此也給其應用帶來一定的局限性：1. 被測流體要有一定的透明度，管道要有透明窗口。2. 在測純凈的水或空氣速度時，必須由人工摻入適當的粒子作為入射激光的散射中心。3. 流速很高時要求提高激光器輸出功率，由于信號頻率很高，導致信號處理

5、比較困難。4. 價格比較昂貴。5. 使用時要采取一定的防震措施，且管道和光學系統無相對運動。盡管如此，由于激光多普勒測速有著得天獨厚的優點，現在已經稱為科研和實驗室工作中的有力工具，有著廣闊的應用前景。3 不同類型的激光多普勒測速儀根據采用激光器類型的不同，激光多普勒測速儀大致可分為兩類：單頻激光多普勒測速儀和雙頻激光多普勒測速儀，在下文中對這兩類測速儀的原理及各自優缺點分別進行了討論。3.1 單頻激光多普勒測速儀采用單頻激光器作為光源的單頻激光多普勒測速儀，通過測量由于運動物體對光的散射所產生的多普勒頻移量來獲取待測物體的速度。這種測速儀發明較早，發展較成熟，但存在著直流漂移，抗干擾能力差等

6、缺點，在很多領域的應用受到了限制。本文中，主要介紹下邁克爾遜干涉型測速儀3，其構造如圖2所示。激光輸出的單頻激光經前置透鏡L1入射到分束器BS上，被BS分為兩束光。其中，反射光束輻照到以速度u運動的待測運動物體上，透射光束照射到反射鏡M1上。來自M1的反射光束的頻率為激光器自身的頻率v，作為參考光束。由于多普勒效應，經待測運動物體反射回來的光束的頻率變為v+2u/（2u/為光的多普勒頻移量），作為信號光束。信號光束和參考光束經過BS合束，經透鏡L2準直后，由光電探測器接收，光電探測器輸出的拍頻信號的頻率為：fD=2uvc于是，待測物體的速度u為：u=c2vfD式中，c為光在空氣中傳播速度。由于

7、邁克爾遜式位移干涉儀的待測運動物體的表面是邁克爾遜干涉儀中的一面鏡子，所以必須拋光成鏡反射面。在測試過程中，位移干涉儀對表面運動傾斜也很敏感。同時，這種測速儀產生的信號頻率與待測運動物體速度成正比，由于光頻很高，樣品速度不高時也會產生很高的信號頻率，這對信號檢測系統的帶寬要求較高。此外，激光器頻率的不穩定也會導致測量精度的降低，還存在光路調節難度大的缺陷，應用受到很大限制。3.2 雙頻激光多普勒測速儀雙頻激光多普勒測速儀不同于單頻激光多普勒測速儀，采用雙頻激光器作為光源，能夠克服單頻激光多普勒測速儀易受環境影響的缺點，抗干擾能力強，具有較高的信噪比。常見的外差式雙頻激光多普勒測速儀4-6的原理

8、如圖3所示。圖3 外差式雙頻激光多普勒測速儀雙頻激光器發出的光為偏振方向相互垂直的線偏振光，頻率分別為v1和v2（其中v1的偏振方向垂直于直面，v2的偏振方向平行于直面）。激光器輸出光束經分束器BS分為兩束。其中，反射光束穿過透振方向和紙面成45°的檢偏器P1后，由光電探測器D1接收，得到的拍頻信號作為參考信號，頻率為v=v1-v2。透射光束經過偏振分光鏡PBS后，偏振方向相互垂直的線偏振光v1和v2相互分離，其中偏振方向垂直于直面的v1光被反射到靜止的參考角錐棱鏡M1上，偏振方向平行于直面的v2光穿過PBS，照射到可動角錐棱鏡M2上。當M2以速度u運動時，由于多普勒效應，返回光的頻

9、率將會變為v2+fD，其中，fD是的v2的多普勒頻移量。M2的返回光重新通過PBS，并與v1經M1的返回光在PBS再度回合，經反射鏡R反射后，通過透振方向與直面成45°的檢偏器P2后，被光電探測器D2接收，得到的拍頻信號作為測量信號，頻率為v1-v2-fD，將參考信號與測量信號進行混頻后，可得到帶有速度信息的多普勒頻移量fD，待測物體速度u可由fD表示為：u=fD2v2c式中，c為光在空氣中傳播速度。在這種測量方法中，D2探測到的拍頻信號頻率為v1-v2-fD，無論運動物體速度u是否為零（對應的fD為零），v始終存在，起到載波的作用，測量鏡M2的移動只是使這個頻差增加或減少，不存在單

10、頻激光多普勒測速儀的直流漂移問題。另一方面，這種測速方法要求fDv，這就決定了外差式雙頻激光多普勒測速儀的最大測量速度取決于雙頻激光器的頻差。至今已報道的雙頻激光器的頻差還不夠高，限制了外差式雙頻激光多普勒測速儀的測速范圍。4 多普勒信號處理如圖4所示是激光多普勒測速系統圖，光學系統測量運動物體，產生多普勒頻移信號，光電檢測器完成信號的收集以及光電轉換。但是，實際上接收到的多普勒信號很小且存在噪聲，所以信號要進行放大和濾波處理。圖4 測量系統框架通常的激光多普勒測速系統的信號處理，大都采用頻率跟蹤器和計數型信號處理器，他們的基本工作原理都是使接收到的信號，通過一事先選定的帶通濾波器，把高于和低

11、于門檻電平的信號濾去，剩下的信號就被認為是有效信號，然后進行處理計算。由于噪聲是隨機的，這種處理方法對信噪比低的多普勒信號處理不是最理想的。對由探測電路獲得的信號直接進行處理，即在時域中進行處理的關鍵就是選取一門檻電平。在同一段多普勒有效信號中，脈沖的周期應是相同的，而噪聲的振幅及周期軍事隨機的，故單單用振幅來判據信號是否有效是不準確的，應同時對其周期進行判定，這樣，非均勻周期內產生的脈沖信號視為噪聲被濾去。這一基于時域內的信號處理雖然比較容易實現，但在多普勒信號信噪比非常低時，可靠性大大降低。因此目前激光多普勒測速系統信號處理的發展方向是在頻域內進行處理，即把探測到的信號轉換成它的頻譜，利用

12、自相關或傅里葉函數計算得到其峰值。自相關函數R是表示隨機信號xt與通過了時間的同一信號，即與xt-的相關程度，其定義為： R=limT1T-T/2T/2xtxt-dt (1)令含有隨機噪聲的信號為： xt=st+nt (2)其中st，nt分別為周期性信號和隨機噪聲信號，代入R可得：(3) R=limT1T-T2T2st+ntst-+nt-dt= RS+Rsn+Rns+RnRS 這里考慮到信號與噪聲不相關，故其互相關函數Rsn，Rns均為零，同時隨著延時的增長，噪聲的自相關函數Rn接近于零。(4)當隨機信號包含周期性分量時，自相關函數也將包含相同的周期分量。設周期信號為角頻率為w的正弦信號：st

13、=Asint，則有： Rs=limT1T-T2T2stst-dt =limT1T-T2T2AsintAsint-dt=A22cos由(4)式可知，周期信號st的自相關函數的角頻率仍為w。由于在激光多普勒測速儀中，待處理的信號均為數字信號，相應的離散型自相關函數為7:Rj=1R0i=0N-1xixi+jj=-N-1,-N-2,，N-2,(N-1)其中xi和xi+j分別是xt和xt,離散N位和M位的采樣值，Rj是j個采樣延時的自相關函數。針對光電探測器輸出的信號是由多普勒信號和隨機噪聲信號組成，采用數字相關技術抑制噪聲，并對輸出信號的自相關信號進行快速傅里葉變換，得到其功率譜，由(4)式可知，譜峰

14、值處對應的頻率即為多普勒頻率。通過探測多普勒頻率，即可解算出微粒的運動速度。5 激光多普勒測速技術發展動向自上世紀60年代末激光多普勒測速技術出現以來，這門技術迅猛發展，成為現代化生產必不可少的檢測手段，不少測量困難的場合都寄厚望于激光多普勒測速技術。這就要求激光多普勒測速系統不僅要向通用測量一起發展，即降低成本、減小儀器體積、簡化操作程序，而且要最大程度地降低測量環境過程對測量的影響，使儀器更加穩定可靠。近年來，半導體技術、光纖技術在激光多普勒測速中的應用，使其光學結構及信號處理產生了根本的改進，促進了它在其他行業中的應用。5.1 半導體技術的應用相比其他激光器，半導體激光器的體積極小，這也

15、是縮小激光多普勒測速系統體積的關鍵所在。但是半導體激光束的擴散角較大，因而使用時必須要對光束進行準直，減小其發射角，使光束成為準高斯光束。在以往的激光多普勒測速儀中，接收器均使用光電倍增管，雖然其靈敏度高，但體積較大，需要高壓驅動，不利于系統的小型化，而且在被測物的散射光較大時，易飽和。而半導體接收器如APD和PIN二極管驅動電路簡單，體積小，量子效率高。因此，雖然半導體激光器的功率一般為毫瓦級，但在與半導體接收器結合使用后，可在不降低信噪比的情況下，達到簡化整個激光多普勒測速系統結構，減小體積的目的。5.2 光纖技術的應用通常的激光多普勒測速系統調試非常復雜，非專業操作人員很難使儀器工作在最

16、佳狀態。光纖技術的應用使這一難題得到了解決。光在光纖中的傳播會產生色散，這主要是由多模色散、材料色散和結構色散引起的，因此激光多普勒測速系統中的發射光纖大多使用單模光纖，單模光纖只存在著材料色散和結構色散，對信噪比的影響較小。一般情況下，為考慮減弱干擾光，保證好的相干性，提高激光多普勒測速系統的信噪比，大多使用偏振保持型單模光纖。在使用了單模光纖后，激光多普勒測速系統便有了獨特的優點：1. 將許多體積較大的器件與探頭分開，使探頭幾乎可任意縮小，對測量場產生的擾動降低至最小，大大提高了測量可靠性。2. 光纖具有耐腐蝕、耐高溫、防水防火、易彎曲等特點，大大提高了激光多普勒測速系統的應用領域。3.

17、對于最常用的雙光束型的激光多普勒測速系統，分束器的要求大大降低，而且偏轉鏡、空間濾波器等元件可省掉。4. 操作簡單，光路只需一次性調整好固定，大大簡化了操作程序。由此可見，激光多普勒測速技術的發展，并不只是單獨取決于本身的發展，而是集激光技術、集成光學技術、半導體技術、信號處理技術于一身。6 總結和展望 近幾十年來，激光多普勒測速技術的研究已經取得了豐碩成果，并以其成本較低、非接觸測量、測量精度高、動態響應快、測量范圍大等優點，在各個領域得到了深入的研究和展望。然而，目前的激光多普勒測速儀的測速上限受到限制，無法滿足測量高速運動物體運動速度的需要；測量精度還存在提升空間，尤其在低速測量時精度不

18、高；抗干擾能力也有待提高。因此，新型激光多普勒測速技術將向高精度、大量程、抗干擾能力強、穩定性好的方向發展。參考文獻1 SHEN X. Laser Doppler velocimetry and its applicationM. Beijing: Tsinghua University Press，2004:1-5.2 沈熊.激光多普勒測速技術及應用M.北京：清華大學出版社，2004：121-126.3 Baker L M，Hollenbach R E. Interferometer technique for measuring the dynamic mechanical properties of materialsJ. Review of Scientific Instruments，1965，36（11）：1617-1620.4 關信安，袁樹忠，劉玉照.雙頻激光干涉儀M.北京：